煤焦油常減壓蒸餾裝置的模擬與優化

葉啟亮，奚茂華，楊敬一，袁佩青

(華東理工大學化工學院，上海 200237)

煤炭是我國最基礎的能源，目前對其利用方式主要有直接燃燒、煉焦和氣化[1]。煤焦油是煤在煉焦時產生的具有刺激性氣味、呈黑色或黑褐色黏稠狀的液體[2]。煤焦油作為焦化工業的重要產品，其組成極為復雜，含有上萬種有機化合物，目前大約鑒定出500余種[3-4]，其中許多化合物是生產農藥、醫藥、染料、涂料、合成橡膠和多種功能性材料的重要原料，有的化合物甚至是石油化工過程難以生產的[5]。為獲取這些寶貴的化合物，需先采用蒸餾方法從煤焦油中切取輕油、酚油、萘油、洗油、蒽油及瀝青等不同餾分，使苯、酚、萘、甲基萘、喹啉、蒽、咔唑等多種化合物集中到相應餾分中，再通過深加工進一步分離。煤焦油常減壓蒸餾工藝通常基建投資大，操作復雜，因此確定合理工藝條件是提高煤焦油利用率及產品質量的關鍵。

本研究基于Aspen Plus V9.0建立煤焦油常減壓蒸餾工藝流程，通過靈敏度分析對整個工藝流程進行優化，確立合理的工藝條件，提高產品質量。模擬結果對煤焦油常減壓蒸餾工藝的優化設計及裝置的高效操作具有重要指導作用。

1 煤焦油蒸餾流程模擬

1.1 煤焦油組分表征

根據餾程不同，煤焦油可分為中低沸程煤焦油(常壓沸點400 ℃以下)和高沸程煤焦油(常壓沸點400 ℃以上)[6]。針對寧夏某焦化企業高溫煤焦油，為簡化模擬計算但又保證模擬計算的準確性，將煤焦油中質量分數小于0.02%的組分不單獨輸入[7]，根據其沸點分別合并到沸點相鄰的組分中。將甲基吡啶等吡啶同系物合并到吡啶中；將三甲苯、四甲苯等苯的高級同系物合并到苯乙烯和偏三甲苯中；將三甲基苯酚等高沸點酚類合并到3，5-二甲酚中；將甲基喹啉等喹啉同系物合并到喹啉中；將甲基氧芴等氧芴同系物合并到氧芴中；將苯并熒蒽及熒蒽同系物合并到熒蒽中；其他高沸點物質合并到瀝青中。經過組分合并后，用39種真實組分(見表1)來表征中低沸程煤焦油；通過煤焦油瀝青的實沸點(TBP)蒸餾數據[8](見表2)生成虛擬組分瀝青[9-10]來表征高沸程煤焦油。

表1 煤焦油組成

表2 煤焦油瀝青的實沸點蒸餾數據

1.2 物性方法選擇

煤焦油的主要成分為多環芳烴，其內包含多種極性物系和非極性物系，并且煤焦油物系中的許多組分互溶，存在著多種共沸體系，因而具有很強的非理想性[11-12]。對于這種非理想性極強的物系，通常選用的物性方法有NRTL，UNIQUAC，WILSON，UNIFIC等。本研究選用NRTL物性方法來模擬脫水塔，選用UNIQ-RK物性方法來模擬常壓蒸餾塔和減壓蒸餾塔[13]。

1.3 煤焦油蒸餾流程的建立

煤焦油常減壓蒸餾裝置主要包括脫水塔、常壓蒸餾塔和減壓蒸餾塔，寧夏某焦化企業0.30 Mta煤焦油常減壓蒸餾裝置的工藝流程如圖1所示。原料煤焦油經預熱到130 ℃后進入脫水塔脫水，脫水塔塔頂餾分經冷凝器冷卻到45 ℃，經油水分離器分離出氨水和輕油餾分，輕油餾分一部分為產品，另一部分回流至脫水塔。脫水塔塔底采出無水煤焦油，無水煤焦油經管式加熱爐加熱到260 ℃進入常壓蒸餾塔，常壓蒸餾塔塔頂采出酚油餾分，側線采出萘油餾分，塔底采出重質混合油。重質混合油經管式加熱爐加熱到350 ℃進入減壓蒸餾塔，減壓蒸餾塔塔頂采出洗油餾分，側線采出蒽油餾分，塔底采出瀝青。根據工藝流程建立Aspen Plus V9.0模擬流程，精餾塔選用RadFrac嚴格精餾計算模塊、管式加熱爐選用Heater加熱器模塊、換熱器選用HeatX換熱器模塊、輸送泵選用Pump模塊、脫水塔油水分離器運用RadFrac中傾析水功能模塊。

圖1 煤焦油常減壓蒸餾工藝流程示意

2 模擬結果分析優化

2.1 模擬結果驗證

采用Aspen Plus V9.0軟件建模，對上述煤焦油加工工藝進行模擬，將模擬值與實際工況操作參數進行對比，結果如表3所示。由表3可以看出，模擬值與實際工況操作參數吻合良好。這表明Aspen Plus V9.0能夠有效地模擬煤焦油蒸餾流程，同時也驗證了之前煤焦油組分的表征、物性方法的選擇、模擬流程的建立是合理的。

表3 模擬值與實際工況操作參數的對比

2.2 模擬流程優化

在建立合理模擬流程的基礎上，以各餾分中關鍵組分收率和產品質量為主要目標，同時考慮操作能耗的影響，對關鍵的常壓蒸餾塔的回流比、理論塔板數、進料位置等進行靈敏度分析，確定了常壓蒸餾塔的最優工藝條件。

2.2.1 理論塔板數優化為選取合適的理論塔板數，控制常壓蒸餾塔塔頂酚油餾分和側線萘油餾分中的萘含量不變，考察回流比與理論塔板數的關系，結果如圖2所示。

圖2 回流比與理論塔板數的關系

由圖2可知：在控制分離指標不變的情況下，回流比隨著理論塔板數的增加而減小；當理論塔板數小于30時，回流比隨理論塔板數的增加而大幅減小；當理論塔板數為30～33時，回流比隨理論塔板數的增加而小幅減小，每增加1塊塔板，回流比的減小幅度約為3.2；當理論塔板數為33～38時，回流比隨理論塔板數增加而減小的幅度更小，每增加1塊塔板，回流比的減小幅度約為0.9。理論塔板數增加導致塔高增大，設備費用隨之增加；回流比增大導致塔頂冷凝器和塔釜再沸器負荷增加，操作能耗隨之增加。綜合考慮，確定理論塔板數為33。

2.2.2 側線采出位置優化確定理論塔板數后，控制其他模擬條件不變，考察側線采出位置對常壓蒸餾塔分離效果的影響，結果如圖3所示。

圖3 側線采出位置對分離效果的影響■—酚油中萘質量分數； ▲—萘油中萘質量分數。圖4同

由圖3可知：酚油餾分中的萘含量隨側線采出位置的下移而不斷減少；當側線采出位置在第5～10塊塔板時，萘油餾分中的萘含量隨側線采出位置的下移而小幅度增加；當側線采出位置在第10～14塊塔板時，萘油餾分中的萘含量基本不變；當側線采出位置在第14～22塊塔板時，萘油餾分中的萘含量隨側線采出位置的下移而減少，且幅度越來越大。綜合考慮酚油餾分和萘油餾分的質量要求，確定常壓蒸餾塔的側線采出位置為第14塊塔板。

2.2.3 進料位置優化在理論塔板數和側線采出位置確定的情況下，控制其他模擬條件不變，考察進料位置對常壓蒸餾塔分離效果的影響，結果如圖4所示。

圖4 進料位置對分離效果的影響

由圖4可知：由于在第14塊塔板處有側線采出，所以酚油餾分和萘油餾分中的萘含量在第14塊塔板處有階躍式變化；經過第14塊塔板后，當進料位置在第15～21塊塔板時，酚油餾分和萘油餾分中的萘含量都隨著進料位置的下移而增加，并

在第21塊塔板處萘油餾分中的萘含量達到最大；當進料位置在第22～30塊塔板時，酚油餾分中的萘含量仍隨著進料位置的下移而增加，而萘油餾分中的萘含量隨著進料位置的下移而減少。綜合考慮，確定常壓蒸餾塔的進料位置為第21塊塔板。

2.2.4 回流比優化在理論塔板數、側線采出位置和進料位置確定后，考察回流比對常壓蒸餾塔分離效果和能耗的影響，結果如圖5所示。

圖5 回流比對分離效果及能耗的影響■—酚油中萘質量分數； ▲—萘油中萘質量分數； ●—加熱爐熱負荷

由圖5可知：隨著回流比的增加，酚油餾分中的萘含量不斷減少，萘油餾分中的萘含量不斷增加；當回流比為15～25時，回流比每增加1，酚油餾分中的萘質量分數平均減少0.36百分點，萘油餾分中的萘質量分數平均增加0.31百分點；當回流比為25～35時，回流比每增加1，酚油餾分中的萘質量分數平均減少0.15百分點，萘油餾分中的萘質量分數平均增加0.07百分點；隨著回流比的增加，塔低加熱爐熱負荷持續增加。增加回流比增加了塔內物料循環，塔的分離能力上升，有利于組分分離，但同時也將增大塔的操作能耗。為了提高酚油餾分和萘油餾分的產品質量以及控制合適的操作能耗，確定常壓蒸餾塔的回流比為25。

2.3 優化結果

經過同樣的方法與分析，得到脫水塔和減壓蒸餾塔的優化工藝參數，與常壓蒸餾塔一起，匯總于表4。在表4所示的優化參數下，煤焦油全流程常減壓蒸餾流程模擬中的關鍵組分及收率(分離效果)如表5所示，產品質量模擬值與產品指標的對比如表6所示。

表4 煤焦油全流程常減壓蒸餾流程模擬中各精餾塔的優化參數匯總

表5 煤焦油全流程常減壓蒸餾流程模擬中的關鍵組分及收率 w，%

由表5可以看出，各餾分中的關鍵組分收率都很高，其中萘的收率在95%以上，說明該流程模擬經工藝參數優化后能夠很好地用于指導煤焦油的蒸餾分離。

表6 煤焦油全流程常減壓蒸餾流程模擬中的產品質量模擬值與產品指標的對比

由表6可以看出：經過全流程中各精餾塔的參數優化，模擬所得各產品的質量遠優于相應標準的要求；輕油餾分中酚質量分數為0.5%；洗油餾分中酚質量分數為0.11%；酚油餾分中酚質量分數達到42.4%；酚油餾分中萘質量分數為9.5%；洗油餾分中萘質量分數為2.6%，萘油餾分中萘質量分數達到85%。酚油餾分中酚含量和萘油餾分中萘含量均大幅提高，有利于后續工藝中酚和萘組分的更高純度的回收利用及提高煤焦油的利用率。

3 結 論

采用Aspen Plus V9.0模擬軟件，運用真實組分與虛擬組分相結合的方法來表征煤焦油體系，對煤焦油常減壓蒸餾流程進行了模擬。分析并討論了各塔工藝參數對產品質量的影響，確定了各塔的最優工藝參數。在優化后的工藝參數下，提高了各產品中關鍵組分的收率，輕油餾分中酚質量分數為0.5%；酚油餾分中酚質量分數達到42.4%，萘質量分數為9.5%；萘油餾分中萘質量分數達到85.0%；洗油餾分中酚質量分數和萘質量分數分別為0.11%和2.6%；產品質量顯著提升。